北膠萊河流域人類活動對徑流量影響分析

2015-07-28 06:07:32王忠國李秀麗

山東水利 2015年3期

王忠國，李　飛，李秀麗

（濰坊市水文局，山東濰坊 261031）

北膠萊河流域人類活動對徑流量影響分析

王忠國，李飛，李秀麗

（濰坊市水文局，山東濰坊 261031）

【摘要】選取昌邑市王家莊子站的徑流量資料，用灰色系統理論，分析北膠萊河流域徑流系數影響因素，進一步分析人類活動對河流徑流量的影響程度。

【關鍵詞】膠萊河；人類活動；徑流量；影響分析

北膠萊河屬于黃河流域，該河發源于平度市姚家莊，流經高密、昌邑進入渤海，流域面積3900km2，河道平均坡降1/37000，流域形狀為葉形。1959-06在昌邑市宋莊鄉喬家村設立王家莊子水文站，集水面積2531km2；1999-06-01測驗斷面上遷5km，更名為流河水文站，集水面積2510km2。流域內無深山區和淺山區，丘嶺區占5%，其他均為平原區。丘嶺區分布在流域的中上游。流域內農作物種植面積占90%，其它樹木、草地等占10%，由于流域內坡度較小，植被情況良好，故水土流失不嚴重。中游地區有部分洼地積水。1974-08-14在王家莊子水文站實測最大流量為719m3/s。

1　流域人類活動對下墊面因素的影響

在解放初期，受社會發展和生產力的制約，流域內的農作物種植、樹木、草地等植被較差。1953年起，人們開始了植樹造林和水土保持工作，在丘嶺區修建了大量的梯田、地堰、谷坊工程和小型塘壩。從1958—1979年，人們大力開展水利建設，在流域內，1960年建成了馬旺中型水庫1座，集水面積68.0km2，總庫容0.27億m3。1959年至1978年期間，建成了小（1）型水庫3座；小（2）型水庫18座；塘壩103座。這些水利工程總控制面積155km2，總興利庫容2181萬m3。1971年至1982年期間，建成攔河閘11座，總攔蓄能力315萬m3。1958年至1980年期間，建成了揚水站12座，設計流量1.43m3/s，灌溉面積575.33hm2。水資源開發利用的人類生產實踐活動，使得流域的下墊面產生了變化，匯流條件也相應發生了變化；攔水、蓄水、提水的生產活動，增加了流域內的蓄水量，使得蒸發量也增大，進一步影響到徑流量和徑流過程的變化。采用王家莊子站歷年的實測大斷面資料，點繪測驗河段的歷年實測大斷面圖。由斷面圖分析知，1965—2013年北膠萊河的河道縱橫斷面變化，主要受人工開挖治理所控制。王家莊子站測驗河段，1965年河道主河槽在中心，由于受水流沖刷的影響，到1970年河道主河槽偏移至左岸，河底高程變化很小，僅下降0.1～0.2m，但右岸淤積嚴重，河道寬度減少了20.0～21.0m，導致過水面積減少15%～20%。1970年以后，北膠萊河進行了人工開挖治理，河道加寬了100m，橫斷面呈矩形，主河槽河深達6m，縱斷面進行了取直，使得水流比以前更加通暢。1980—2013年由于降水量、年徑流量的減少，河道年平均含沙量明顯變小。1999-06王家莊子站測驗斷面上遷至流河站后，泥沙項目停測。根據1960—2000年泥沙資料分析，1980—2000年多年平均輸沙量為0.063萬t，為1960—2000多年平均的1.4%。因此，河道橫斷面幾乎沒有變化，河底高程變化在0.01～0.10的范圍內。

人工開挖治理河道，使得北膠萊河匯流條件及河道水面蒸發量產生了變化，進而影響到北膠萊河的徑流量和徑流過程。

2　流域人類活動影響因素分析

流域產生的徑流量，取決于流域降水量的大小和流域下墊面的變化。采用1960—2013年共計54年降水量、徑流量資料。1966年1月、1967年1～5月、1967年10月～1968年6月、1968年9～12月受潮水頂托影響，徑流量按“0”處理。1999－06采用流河站徑流量按面積比法進行處理。

北膠萊河流域內，大力興修水利工程是在1958—1980年期間，因此將1979年作為時段劃分點，繪制王家莊子站1960—1979、1980—2013、1960—2013年多年平均月徑流量柱狀過程線如圖1示。

圖1　流域多年平均月徑流量柱狀過程線

流域的徑流量變化是河流徑流系數的變化的重要標志。人類活動是影響河流下墊面變化的主要因素之一，也就是影響河流徑流系數的主要因素。通過分析降水量、徑流系數以及人類活動因素對徑流量的影響程度，就能反映上述諸因素對河流徑流量變化的影響程度。用灰色系統理論對王家莊子水文站的歷年實測資料進行關聯序分析，以確定各種因素與河流徑流量之間的關系，從中找出主要因素，然后建立數學模型，進一步對影響河流徑流量的人類活動因素進行定量分析。

記徑流量、降水量、徑流系數的時間序列分別為△｛x0（t）｝，△｛x1（t）｝，｛x2（t）｝，t∈｛1960,1961……N｝，N=2013。x0（t）對xi（t）的關聯系數為

式中：k為常數，一般取0.5；

△min=mini（mint（△0i（t）），即各個因素間最小絕對差，一般可選為零；

△max=maxi（maxt（△0i（t）），即各個因素間最大絕對差。根據實測資料，計算x0（t）與xi（t）的關聯系數，由計l0i（t）計算各因素的關聯度γ0i為：

計算得：γ01=0.646；γ02=0.887

將數據列x0與各個數據列xi（i=1，2）的關聯度γ0i由大到小排成一行，稱為各數據列對x0的關聯序，則：γ02=0.887＞γ01=0.646。

以上計算表明，影響年徑流量的主要因素是徑流系數，其次是降水量，而徑流系數的變化是流域下墊面的變化產生的，流域下墊面是可以人為改變的，即人類活動因素影響著河流徑流量的變化。為了定量地分析人為因素對河流徑流量的影響程度，建立如下數學模型進行計算分析。

式中，α=（?y/?H）·（H/y），β=（?y/?G）·（G/y）分別代表降水量和徑流系數產流彈性系數，為方便計算，用下面的差分方程式代替微分方程式（1），在時間間隔相同時有：

式中△y/y、（△H/H）、△G/G分別為徑流量、降水量、徑流系數的增長率，可根據水文實測資料得到；△M/M為人類活動影響的增長率，則人類活動的減沙率m為：

只要求出系數α、β值，就可以用（2）和（3）式求出△M/M，α、β與流域特征，植被覆蓋度、土壤性質有關，一般較難直接由實驗確定。根據上述關聯分析，采用下式計算：

根據以上方法，對北膠萊河王家莊子水文站的資料進行分段。從1958—1979年，大搞水利工程，修建了水庫、塘壩、攔河閘、揚水站等。這些工程措施使得徑流量減少，徑流過程變緩，從而流域的下墊面發生了變化。根據上述情況劃分1960—1979、1980—2013兩個階段，列入表1，定量計算人為作用對河流徑流量的影響程度。

計算得：△y/y=－87.34%；

△H/H=－19.63%；△G/G=－84.12%；△M/M=－30.38%；m=34.78%。